Apakah jirim hitam? teori jirim gelap

2024 Pengarang: Henry Conors | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-02-12 11:07

Manakah dahulu: telur atau ayam? Para saintis di seluruh dunia telah bergelut dengan soalan mudah ini selama beberapa dekad. Persoalan yang sama timbul tentang apa yang berlaku pada awalnya, pada saat penciptaan Alam Semesta. Tetapi adakah ia, penciptaan ini, atau adakah alam semesta kitaran atau tidak terhingga? Apakah jirim hitam di angkasa dan bagaimana ia berbeza daripada jirim putih? Dengan mengenepikan pelbagai jenis agama, mari kita cuba mendekati jawapan kepada persoalan-persoalan ini dari sudut sains. Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, saintis telah berjaya melakukan perkara yang tidak dapat difikirkan. Mungkin buat pertama kalinya dalam sejarah, pengiraan ahli fizik teori bersetuju dengan pengiraan ahli fizik eksperimen. Beberapa teori yang berbeza telah dibentangkan kepada komuniti saintifik selama ini. Lebih kurang tepat, dalam cara empirikal, kadangkala secara kuasi saintifik, walau bagaimanapun, data yang dikira secara teori tetap disahkan oleh eksperimen, malah ada juga dengan kelewatan lebih daripada sedozen tahun (contohnya boson Higgs).

Jirim gelap - tenaga hitam

Terdapat banyak teori sedemikian, contohnya: Teori Rentetan, Teori Dentuman Besar, Teori Alam Semesta Kitaran, Teori Alam Semesta Selari, Dinamik Newtonian Modified (MOND), F. Hoyle dan lain-lain. Walau bagaimanapun, pada masa ini, teori Alam Semesta yang sentiasa berkembang dan berkembang dianggap diterima umum, yang mana tesisnya sesuai dengan baik dalam kerangka konsep Big Bang. Pada masa yang sama, secara kuasi-empirik (iaitu, secara empirik, tetapi dengan toleransi yang besar dan berdasarkan teori moden struktur mikrokosmos yang sedia ada), data diperolehi bahawa semua zarah mikro yang kita ketahui membentuk hanya 4.02% daripada jumlah volum keseluruhan komposisi Alam Semesta. Ini adalah apa yang dipanggil "koktel baryon", atau bahan baryonik. Walau bagaimanapun, sebahagian besar Alam Semesta kita (lebih daripada 95%) adalah bahan dengan pelan yang berbeza, komposisi dan sifat yang berbeza. Inilah yang dipanggil jirim hitam dan tenaga hitam. Mereka berkelakuan berbeza: mereka bertindak balas secara berbeza terhadap pelbagai jenis tindak balas, tidak ditetapkan dengan cara teknikal sedia ada, dan mempamerkan sifat yang belum diterokai sebelum ini. Daripada ini kita boleh membuat kesimpulan bahawa sama ada bahan ini mematuhi undang-undang fizik yang lain (fizik Bukan Newtonian, analog verbal bagi geometri Bukan Euclidean), atau tahap perkembangan sains dan teknologi kita hanya pada peringkat awal pembentukannya.

Apakah baryon?

Menurut model interaksi kuat quark-gluon semasa, terdapat hanya enam belas zarah asas (dan penemuan terbaru boson Higgs mengesahkan ini): enam jenis (rasa) quark, lapan gluon dan dua boson. Baryon ialah zarah asas yang berat dengan interaksi yang kuat. Yang paling terkenal ialah kuark, proton dan neutron. Keluarga bahan tersebut, berbeza dalamputaran, jisim, "warna" mereka, serta bilangan "pesona", "keanehan", tepatnya adalah bahan binaan apa yang kita panggil jirim baronik. Bahan hitam (gelap), yang membentuk 21.8% daripada jumlah komposisi Alam Semesta, terdiri daripada zarah lain yang tidak memancarkan sinaran elektromagnet dan tidak bertindak balas dengannya dalam apa jua cara. Oleh itu, untuk pemerhatian langsung sekurang-kurangnya, dan lebih-lebih lagi untuk pendaftaran bahan tersebut, adalah perlu terlebih dahulu memahami fizik mereka dan bersetuju dengan undang-undang yang mereka patuhi. Ramai saintis moden sedang melakukan perkara ini di institut penyelidikan di seluruh dunia.

Pilihan yang paling mungkin

Apakah bahan yang dianggap mungkin? Sebagai permulaan, perlu diingatkan bahawa terdapat hanya dua pilihan yang mungkin. Menurut GR dan SRT (Relativiti Umum dan Khas), dari segi komposisi, bahan ini boleh menjadi jirim gelap baryon dan bukan baryon (hitam). Menurut teori utama Big Bang, apa-apa perkara yang wujud diwakili dalam bentuk baryon. Tesis ini telah dibuktikan dengan ketepatan yang sangat tinggi. Pada masa ini, saintis telah belajar untuk menangkap zarah yang terbentuk seminit selepas ketunggalan pecah, iaitu, selepas letupan keadaan jirim superdens, dengan jisim badan cenderung kepada infiniti dan dimensi badan cenderung kepada sifar. Senario dengan zarah baryon adalah yang paling berkemungkinan, kerana dari merekalah Alam Semesta kita terbentuk dan melalui mereka meneruskan pengembangannya. bahan hitam,mengikut andaian ini, ia terdiri daripada zarah asas yang diterima umum oleh fizik Newtonian, tetapi atas sebab tertentu berinteraksi dengan lemah dalam cara elektromagnet. Itulah sebabnya pengesan tidak mengesannya.

Ia tidak berjalan begitu lancar

Senario ini sesuai dengan ramai saintis, tetapi masih terdapat lebih banyak soalan daripada jawapan. Jika kedua-dua jirim hitam dan putih hanya diwakili oleh baryon, maka kepekatan baryon ringan sebagai peratusan yang berat, hasil daripada nukleosintesis primer, sepatutnya berbeza dalam objek astronomi awal Alam Semesta. Dan secara eksperimen, kehadiran dalam galaksi kita keseimbangan bilangan objek graviti besar yang mencukupi, seperti lubang hitam atau bintang neutron, belum didedahkan untuk mengimbangi jisim halo Bima Sakti kita. Walau bagaimanapun, bintang neutron yang sama, lingkaran cahaya galaksi gelap, lubang hitam, kerdil putih, hitam dan coklat (bintang dalam pelbagai peringkat kitaran hayatnya), kemungkinan besar, adalah sebahagian daripada jirim gelap yang diperbuat daripada jirim gelap. Tenaga hitam juga boleh melengkapkan pengisiannya, termasuk objek hipotesis yang diramalkan seperti bintang preon, quark dan Q.

Calon bukan barionik

Senario kedua membayangkan asal bukan baronik. Di sini, beberapa jenis zarah boleh bertindak sebagai calon. Sebagai contoh, neutrino ringan, yang kewujudannya telah pun dibuktikan oleh saintis. Walau bagaimanapun, jisim mereka, mengikut urutan seratus hingga satusepuluh ribu eV (elektron-Volt), boleh dikatakan mengecualikan mereka daripada zarah yang mungkin disebabkan oleh ketidakupayaan ketumpatan kritikal yang diperlukan. Tetapi neutrino berat, berpasangan dengan lepton berat, boleh dikatakan tidak menampakkan diri mereka dalam interaksi yang lemah dalam keadaan normal. Neutrino sedemikian dipanggil steril; dengan jisim maksimumnya sehingga satu persepuluh eV, mereka lebih berkemungkinan menjadi calon untuk zarah jirim gelap. Axion dan kosmion telah diperkenalkan secara buatan ke dalam persamaan fizik untuk menyelesaikan masalah dalam kromodinamik kuantum dan dalam model piawai. Bersama-sama dengan satu lagi zarah supersimetri yang stabil (SUSY-LSP), mereka mungkin layak sebagai calon, kerana mereka tidak mengambil bahagian dalam interaksi elektromagnet dan kuat. Namun, tidak seperti neutrino, ia masih bersifat hipotesis, kewujudannya masih perlu dibuktikan.

Teori jirim hitam

Kekurangan jisim di Alam Semesta menimbulkan teori yang berbeza mengenai skor ini, beberapa daripadanya agak konsisten. Sebagai contoh, teori bahawa graviti biasa tidak dapat menjelaskan putaran bintang yang pelik dan sangat pantas dalam galaksi lingkaran. Pada kelajuan sedemikian, mereka hanya akan terbang keluar daripadanya, jika bukan kerana beberapa jenis daya pegangan, yang belum mungkin didaftarkan. Tesis teori lain menjelaskan kemustahilan untuk mendapatkan WIMP (zarah berinteraksi secara elektrolemah yang besar-rakan kongsi subzarah asas, supersimetri dan superheavy - iaitu, calon yang ideal) dalam keadaan daratan, kerana ia hidup dalam dimensi n, yang berbeza daripada tiga- satu dimensi. Menurut teori Kaluza-Klein, ukuran sedemikian tidak tersedia untuk kita.

Bertukar Bintang

Teori lain menerangkan cara bintang berubah-ubah dan jirim hitam berinteraksi antara satu sama lain. Kecerahan bintang sebegini boleh berubah bukan sahaja disebabkan oleh proses metafizik yang berlaku di dalam (denyut, aktiviti kromosfera, lontar menonjol, limpahan dan gerhana dalam sistem bintang binari, letupan supernova), tetapi juga disebabkan oleh sifat anomali jirim gelap.

WARP drive

Menurut satu teori, jirim gelap boleh digunakan sebagai bahan api untuk enjin subangkasa kapal angkasa yang beroperasi pada teknologi WARP hipotesis (Enjin WARP). Berkemungkinan, enjin sedemikian membolehkan kapal bergerak pada kelajuan melebihi kelajuan cahaya. Secara teorinya, mereka dapat membengkokkan ruang di hadapan dan di belakang kapal dan menggerakkannya di dalamnya lebih cepat daripada gelombang elektromagnet yang memecut dalam vakum. Kapal itu sendiri tidak memecut secara tempatan - hanya medan spatial di hadapannya yang bengkok. Banyak cerita fantasi menggunakan teknologi ini, seperti saga Star Trek.

Pertumbuhan dalam keadaan darat

Percubaan untuk menjana dan mendapatkan jirim hitam di bumi masih belum berjaya. Pada masa ini, eksperimen sedang dijalankan di LHC (Large Andron Collider), tepat di mana boson Higgs pertama kali direkodkan, serta di tempat lain, kurang berkuasa, termasuk pelanggar linear untuk mencarirakan kongsi zarah asas yang stabil, tetapi berinteraksi lemah secara elektromagnet. Walau bagaimanapun, baik photino, mahupun gravitino, mahupun higsino, mahupun sneutrino (neutralino), mahupun WIMP lain belum diperolehi. Menurut anggaran awal berhati-hati saintis, untuk mendapatkan satu miligram jirim gelap dalam keadaan daratan, setara dengan tenaga yang digunakan di Amerika Syarikat pada tahun itu diperlukan.